(57)【要約】  【課題】  地磁気方位によらずに、Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心に地磁気信号を設定する。  【解決手段】  第１のオフセット算出手段５ａは、減算器３からの出力がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に位置するように第１のオフセット値を定め、Ｄ／Ａコンバータ６の出力を設定し、第２のオフセット算出手段５ｂは、Ｄ／Ａコンバータ６に第１のオフセット値が入力された時のＡ／Ｄコンバータ４からの出力に基づいて、地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心との差分を算出し、その値を第２のオフセット値とし、第１のオフセット値と第２のオフセット値の和をＤ／Ａコンバータ６より出力させることで、地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に一致させる。  【選択図】      図１
2005300531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気センサと、
前記磁気センサの出力を所定の利得で増幅する増幅手段と、
デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータと、
前記増幅手段からの出力と前記Ｄ／Ａコンバータからの出力の差分を算出する減算器と、
前記減算器から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、
前記増幅手段によって所定の利得で増幅されたアナログ信号を入力とする前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて、前記減算器の出力が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心に近づくように第１のオフセット値を算出し、前記第１のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力する第１のオフセット算出手段と、
前記第１のオフセット値が前記Ｄ／Ａコンバータに入力された時の前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて第２のオフセット値を算出し、前記第１のオフセット値にあわせて前記第２のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力する第２のオフセット算出手段を備え、地磁気を算出することを特徴とする地磁気測定装置。
【請求項２】
前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値をあわせて前記Ｄ／Ａコンバータに出力した後、前記増幅手段の利得の第１の利得より大きい第２の利得で前記増幅手段が増幅したアナログ信号から、前記第１の利得から前記第２の利得の変化に応じて前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値の補正を行い、前記補正した第１のオフセット値と前記補正した第２のオフセット値の和を前記Ｄ／Ａコンバータへ出力し、前記第２の利得で前記増幅手段が増幅したアナログ信号から前記Ｄ／Ａコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出することを特徴とする請求項１に記載の地磁気測定装置。
【請求項３】
前記第２のオフセット値は、前記増幅手段の利得を変更する前は地磁気信号の中心と前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記Ｄ／Ａコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする請求項２に記載の地磁気測定装置。
【請求項４】
前記第２のオフセット値の補正は、２回行うことを特徴とする請求項２または３に記載の地磁気測定装置。
【請求項５】
前記第１の利得は、地磁気信号の強度が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の１／４を越えないように前記第１の増幅手段のゲインが設定されており、前記第２の利得は、前記第１の利得の約２倍であることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の地磁気測定装置。
【請求項６】
磁気センサと、
前記磁気センサの出力を所定の利得で増幅する第１の増幅手段と、
デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータと、
前記第１の増幅手段からの出力と前記Ｄ／Ａコンバータからの出力の差分を算出する減算器と、
前記減算器から出力されるアナログ信号を所定の利得で増幅する第２の増幅手段と、
前記第２の増幅手段からの出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、
前記第１の増幅手段と前記第２の増幅手段によって、前記第１の増幅手段の利得と前記第２の増幅手段の利得の合計利得で増幅されたアナログ信号を入力とする前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて、前記第２の増幅手段の出力が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心に近づくように第１のオフセット値を算出し、前記第１のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力する第１のオフセット算出手段と、
前記第１のオフセット値が前記Ｄ／Ａコンバータに入力された時の前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて第２のオフセット値を算出し、前記第１のオフセット値にあわせて前記第２のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力する第２のオフセット算出手段を備え、地磁気を算出することを特徴とする地磁気測定装置。
【請求項７】
前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値をあわせて前記Ｄ／Ａコンバータに出力した後、前記第１の増幅手段の利得と前記第２の増幅手段の利得を合わせた第１の合計利得より大きい第２の合計利得で前記第１の増幅手段と前記第２の増幅手段が増幅したアナログ信号から、前記第１の合計利得から前記第２の合計利得の変化に応じて前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値を補正し、前記補正した第１のオフセット値と前記補正した第２のオフセット値の和を前記Ｄ／Ａコンバータへ出力し、前記第２の合計利得で前記第１の増幅手段と前記第２の増幅手段が増幅したアナログ信号から前記Ｄ／Ａコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出することを特徴とする請求項６に記載の地磁気測定装置。
【請求項８】
前記第２のオフセット値は、前記第１の増幅手段と前記第２の増幅手段の合計利得を変更する前は、地磁気信号の中心と前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記Ｄ／Ａコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする請求項７に記載の地磁気測定装置。
【請求項９】
前記第２のオフセット値の補正は、２回行うことを特徴とする請求項７から８のいずれか１項に記載の地磁気測定装置。
【請求項１０】
前記第１の合計利得は、地磁気信号の強度が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の１／４を越えないように前記第１の増幅手段と前記第２の増幅手段のゲインが設定されており、前記第２の合計利得は、前記第１の合計利得の約２倍であることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の地磁気測定装置。
【請求項１１】
磁気センサの出力を所定の利得で増幅するステップと、
前記増幅された出力とＤ／Ａコンバータからの出力の差分を算出するステップと、
前記差分に対応するアナログ信号をＡ／Ｄコンバータにてデジタル信号に変換するステップと、
前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて、前記差分に対応するアナログ信号が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心に近づくように第１のオフセット値を算出するステップと、
前記算出された第１のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力するステップと、
前記第１のオフセット値が前記Ｄ／Ａコンバータに入力された時の前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて第２のオフセット値を算出するステップと、
前記第１のオフセット値にあわせて前記第２のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力するステップとを備えることを特徴とする地磁気測定方法。
【請求項１２】
前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値をあわせて前記Ｄ／Ａコンバータに出力した後、前記所定の第１の利得より大きい第２の利得で増幅されたアナログ信号から、前記第１の利得から前記第２の利得の変化に応じて前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値を補正するステップと、
前記補正した第１のオフセット値と前記補正した第２のオフセット値の和を前記Ｄ／Ａコンバータへ出力するステップと、
前記第２の利得で増幅されたアナログ信号から前記Ｄ／Ａコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出するステップとを備えることを特徴とする請求項１１に記載の地磁気測定方法。
【請求項１３】
前記第２のオフセット値は、前記利得を変更する前は地磁気信号の中心と前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記Ｄ／Ａコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする請求項１２に記載の地磁気測定方法。
【請求項１４】
前記第２のオフセット値の補正は、２回行うことを特徴とする請求項１２または１３に記載の地磁気測定方法。
【請求項１５】
前記第１の利得は、地磁気信号の強度が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の１／４を越えないように設定されており、前記第２の利得は、前記第１の利得の約２倍であることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか１項に記載の地磁気測定方法。
【請求項１６】
磁気センサの出力を第１の利得で増幅するステップと、
前記第１の利得で増幅された出力とＤ／Ａコンバータからの出力の差分を算出するステップと、
前記差分に対応するアナログ信号を第２の利得で増幅するステップと、
前記第２の利得で増幅された出力をＡ／Ｄコンバータにてデジタル信号に変換するステップと、
前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて、前記第２の利得で増幅された出力が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心に近づくように第１のオフセット値を算出するステップと、
前記算出された第１のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力するステップと、
前記第１のオフセット値が前記Ｄ／Ａコンバータに入力された時の前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて第２のオフセット値を算出するステップと、
前記第１のオフセット値にあわせて前記第２のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力するステップとを備えることを特徴とする地磁気測定方法。
【請求項１７】
前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値をあわせて前記Ｄ／Ａコンバータに出力した後、前記第１の利得と前記第２の利得を合わせた第１の合計利得より大きい第２の合計利得で増幅されたアナログ信号から、前記第１の合計利得から前記第２の合計利得の変化に応じて前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値を補正するステップと、
前記補正した第１のオフセット値と前記補正した第２のオフセット値の和を前記Ｄ／Ａコンバータへ出力するステップと、
前記第２の合計利得で増幅されたアナログ信号から前記Ｄ／Ａコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出するステップとを備えることを特徴とする請求項１６に記載の地磁気測定方法。
【請求項１８】
前記第２のオフセット値は、前記第１の利得と前記第２の利得の合計利得を変更する前は、地磁気信号の中心と前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記Ｄ／Ａコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする請求項１７に記載の地磁気測定方法。
【請求項１９】
前記第２のオフセット値の補正は、２回行うことを特徴とする請求項１７から１８のいずれか１項に記載の地磁気測定方法。
【請求項２０】
前記第１の合計利得は、地磁気信号の強度が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の１／４を越えないように設定されており、前記第２の合計利得は、前記第１の合計利得の約２倍であることを特徴とする請求項１７から１９のいずれか１項に記載の地磁気測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地磁気測定装置および地磁気測定方法に関し、特に、携帯機器に搭載する電子コンパスに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの普及により、歩行者用ナビゲーションシステムのニーズが高まっており、歩行者の現在位置と共に進行方向を計測するための携帯機器に搭載可能な方位角測定装置の需要が高まっている。
ホール素子は従来より良く知られた磁気センサであり、小型・軽量・安価という特徴があるが、近年、ホール素子を用いて地磁気を検出する方位角測定装置も見受けられる。
【０００３】
しかしながら、ホール素子はオフセット量が大きく、チョッパ回路などの良く知られているオフセットキャンセルの手法をとったとしても、残留のオフセット分が存在する。また、磁気センサからの出力を増幅する増幅器などの後段回路に起因するオフセット分も存在する。さらに、携帯機器内部には、スピーカなどの磁性部品に起因する漏洩磁場が存在し、これも地磁気信号に対するオフセット分として寄与する。
【０００４】
これらのオフセット分は地磁気信号に対して大きい場合もしばしばであり、方位角測定装置としては、磁気センサから出力される大きなオフセット成分に重畳した小さな地磁気信号を検出するという構図が見られている。
このような方位角測定装置の構成としては、２軸または３軸の磁気センサの出力をＡ／Ｄコンバータによってデジタル変換し、デジタル信号処理にて方位角を演算する手法が一般的である。
【０００５】
この場合、地磁気信号より大きなオフセット量の元で、ホール素子からの出力をデジタル変換して信号処理を行うには、入力範囲の大きなＡ／Ｄコンバータが必要になる。この結果、地磁気信号測定の精度を保つためには、入力ビット数の大きなＡ／Ｄコンバータを用いる必要が生じるが、そのようなＡ／Ｄコンバータは高価であり、方位角測定装置のコストアップを招くとともに、地磁気信号を増幅する方位角測定装置のアナログ回路部分における１ビット当たりの電圧精度も厳しくなり、回路設計上の負担が増加する。
【０００６】
一方、特許文献１にて出願人が提案している技術では、オフセット分に相当する信号をＤ／Ａコンバータで発生させ、減算回路を通して磁気センサからの出力に重畳させることで、Ａ／Ｄコンバータに入力される信号からオフセット分を減算することができる。したがって、地磁気信号に相当する成分のみをＡ／Ｄコンバータに入力することが可能となり、Ａ／Ｄコンバータの入力範囲を小さく済ませることができる。このため、ビット数が小さなＡ／Ｄコンバータを用いることができ、方位角測定装置を安価に実現できる。
【０００７】
図７は、従来の方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である。
図７において、方位角測定装置には、磁気センサ１１、増幅器１２、減算器１３、Ａ／Ｄコンバータ１４、オフセット算出手段１５、Ｄ／Ａコンバータ１６、メモリ１７および方位角演算手段１８が設けられている。また、メモリ１７には、磁気センサ１１の真のオフセット値１７ａおよび入力範囲調整用オフセット値１７ｂが格納される。
【０００８】
ここで、磁気センサ１１の真のオフセット値１７ａには、地磁気信号に対するオフセット値も含まれ、具体的には、磁気センサ１１に固有のオフセットだけでなく、磁気センサ１１が搭載される携帯機器内部で磁場を発生するスピーカなどの漏洩磁場が磁気センサ１１により検出される出力分も含むことができる。また、入力範囲調整用オフセット値１７ｂは、増幅器１２の出力が減算器１３を通してＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲に収まるように設定することができる。また、増幅器１２の出力がＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲を越える場合においても、増幅器１２の出力が減算器１３を通してＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲に収まるように、入力範囲調整用オフセット値１７ｂが設定されているので、入力範囲調整用オフセット値１７ｂのアナログ値が減算された増幅器１２の出力を、Ａ／Ｄコンバータ１４を用いて正常にＡ／Ｄ変換することができる。
【０００９】
そして、磁気センサ１１からの出力は増幅器１２にて増幅され、減算器１３に入力される。一方、オフセット算出手段１５は、入力範囲調整用オフセット値１７ｂをメモリ１７から読み出し、入力範囲調整用オフセット値１７ｂをＤ／Ａコンバータ１６に出力する。そして、Ｄ／Ａコンバータ１６は、入力範囲調整用オフセット値１７ｂをアナログ値に変換し、そのアナログ変換後の入力範囲調整用オフセット値１７ｂを減算器１３に出力する。
【００１０】
そして、減算器１３は、増幅器１２の出力と、入力範囲調整用オフセット値１７ｂのアナログ値との差分を算出し、入力範囲調整用オフセット値１７ｂのアナログ値が減算された増幅器１２の出力をＡ／Ｄコンバータ１４に出力する。
そして、Ａ／Ｄコンバータ１４にて、入力範囲調整用オフセット値１７ｂのアナログ値が減算された増幅器１２の出力がデジタル値に変換されると、オフセット算出手段１５は、入力範囲調整用オフセット値１７ｂをメモリ１７から読み出す。
【００１１】
そして、入力範囲調整用オフセット値１７ｂのアナログ値が減算された増幅器１２のデジタル出力に、入力範囲調整用オフセット値１７ｂをデジタル的に加算し、入力範囲調整用オフセット値１７ｂを減算する前の増幅器１２のデジタル出力を算出する。
これにより、増幅器１２の出力自体をＡ／Ｄコンバータ１４に通すことなく、増幅器１２の元の出力のデジタル値を算出することができ、Ａ／Ｄコンバータ１４の入力範囲が増幅器１２の出力範囲よりも狭い場合においても、増幅器１２のアナログ出力をデジタル化することができる。
【００１２】
そして、オフセット算出手段１５は、増幅器１２のデジタル出力が得られると、磁気センサ１１の真のオフセット値１７ａをメモリ１７から読み出し、増幅器１２のデジタル出力から磁気センサ１１の真のオフセット値１７ａを減算する。そして、方位角演算手段１８は、真のオフセット値１７ａが減算された増幅器１２のデジタル出力に基づいて、方位角を演算する。
【００１３】
図８は、図７のオフセット算出手段１５が入力範囲調整用オフセット値１７ｂを算出する動作を示すフローチャートである。
図８において、図７の磁気センサ１１の出力は増幅器１２で増幅され、減算器１３を経てＡ／Ｄコンバータ１４に入力される。そして、オフセット算出手段１５によって算出された入力範囲調整用オフセット値１７ｂがＤ／Ａコンバータ１６へ入力され、Ｄ／Ａコンバータ１６にてアナログ信号に変換された後、減算器１３へ入力される。ここで、オフセット算出手段１５は、Ｄ／Ａコンバータ１６から出力される入力範囲調整用オフセット値１７ｂの初期値をＤ／Ａコンバータ１６の全出力範囲の１／２とし、Ａ／Ｄコンバータ１４に入力された減算器１３の出力を評価することができる。
【００１４】
すなわち、Ｄ／Ａコンバータ１６から入力範囲調整用オフセット値１７ｂの初期値としてＤ／Ａコンバータ１６の全出力範囲の１／２を減算器１３に出力する（ステップＳ１１）。
次に、ｎを１に初期化した後（ステップＳ１２）、磁気センサ１１の出力を増幅した増幅器１２の出力からＤ／Ａコンバータ１６の出力を減算器１３にて減算した後、Ａ／Ｄコンバータ１４に出力する（ステップＳ１３）。
【００１５】
そして、オフセット算出手段１５は、減算器１３の出力がＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲の中心よりも大であるか小であるかを判別し（ステップＳ１７）、減算器１３の出力がＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲の中心よりも大であったならば、Ｄ／Ａコンバータ１６の全出力の１／（２ｎ）を入力範囲調整用オフセット値１７ｂの初期値に加算し（ステップＳ１８）、更新されたＤ／Ａコンバータ１６の出力を減算器１３に入力する（ステップＳ２０）。
【００１６】
一方、減算器１３の出力がＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲の中心よりも小であったならば、Ｄ／Ａコンバータ１６の全出力の１／（２ｎ）を入力範囲調整用オフセット値１７ｂの初期値から減算し（ステップＳ１９）、更新されたＤ／Ａコンバータ１６の出力を減算器１３に入力する（ステップＳ２０）。
この状態で減算器１３から出力されＡ／Ｄコンバータ１４へ入力された信号に対して、再びオフセット算出手段１５が評価をする。そして、ｎを１づつ加算しながらｎが所定値以上になるまで同様の処理を繰り返すことで（ステップＳ１５、Ｓ１６）、Ａ／Ｄコンバータ１４に入力される減算器１３の出力は、Ａ／Ｄコンバータ１４の入力範囲の中心へと収斂される（ステップＳ１４）。
【特許文献１】特開２００３−２９４４４７号公報
【特許文献２】特許第１４２２９４２号公報
【特許文献３】特許第１６６０６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上記技術においては、磁気センサ１１や増幅器１２の出力のオフセット分をＤ／Ａコンバータ１６の出力で完全に相殺することはできないので、磁気センサ１１から出力され、増幅器１２で増幅された地磁気信号がＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲の高側または低側に偏って存在する可能性がある。この場合、磁気センサ１１や増幅器１２のオフセットやゲインの変動、さらに環境磁界の変動などにより、減算器１３の出力がＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲を越えてしまい、オーバーフローが生じてしまうことがある。そして、このオーバーフローが起こると、正しい方位角情報を得られないばかりか、Ｄ／Ａコンバータ１６の出力を再設定しなければならず、方位角の測定を最初から行わなければならないという問題があった。
【００１８】
図９は、従来のオフセット算出法によるＤ／Ａコンバータ１６の出力とＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲の中心の変化の様子を説明する図である。なお、図９では、８ｂｉｔのＡ／Ｄコンバータ１４とＤ／Ａコンバータ１６を例として示している。
図９において、Ｄ／Ａコンバータ１６の出力は、Ａ／Ｄコンバータ１４の入力範囲の中心が測定信号つまり磁気センサ１１の出力を増幅した増幅器１２の出力に近づくように、（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）と変化してゆく。この状態の時、減算器１３からの出力はＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲の中心に位置するが、必ずしも磁気センサ１１によって感知された地磁気信号の中心がＡ／Ｄコンバータ１４の中心であるとは限らない。
【００１９】
例えば、オフセット補正動作を行った際の地磁気信号がたまたま磁気子午線から９０度離れた方向であった場合は、磁気センサ１１が感知する地磁気信号は地磁気信号の中心であり、上記オフセット補正によって地磁気信号の中心がＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲の中心になる。すなわち、２軸の直交座標系Ｘ、Ｙを考えたときに、Ｘ方向が磁気子午線方向であったときに、Ｙ方向の磁界を感知する磁気センサはこれに相当する。しかしながら、同じ時に、Ｘ方向を検知する磁気センサは、磁気子午線方向の磁界成分に感度を持ち、地磁気信号としては最大または最小の値を検知していることになる。
【００２０】
例えば、磁気センサ１１が地磁気信号の最小の値を検知している（南方向の磁界に相当）場合（図９の（Ｄ））、地磁気信号は、Ａ／Ｄコンバータ１４の入力範囲の高域側半分に位置することになる。地磁気信号がＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲の１／４以上の振幅を持っているとすると、オーバーフローする可能性があるために、通常はオーバーフローしないようなゲインが増幅器１２で設定されているが、その場合でも、オフセット補正を行った後に、磁気センサ１１や増幅器１２のゲインが変わったとか、環境磁界のオフセットが加わったなどの外部要因があると、減算器１３からの出力がＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲を容易に超えてしまい、オーバーフローを起こしてしまう(図９の（Ｅ））。
【００２１】
そして、オーバーフローが起これば、その際のデータをもとに演算した方位角は正しい値を示さないので、Ｄ／Ａコンバータの１６出力を再度設定しなくてはならなくなり、また方位角を演算するための地磁気信号が描く軌跡の中心を求めるキャリブレーション操作を再び行う必要があるなどの問題が生ずる。なお、キャリブレーション操作については、例えば、特許文献２および特許文献３に開示されている。
【００２２】
一方、オーバーフローを起こりにくくするためには、増幅器１２のゲインを下げることで、地磁気信号の最大または最小値からＡ／Ｄコンバータ１４の入力範囲までの余裕を確保することが考えられるが、その場合は地磁気信号に相当するＡ／Ｄコンバータ１４のビット数が少なくなり、したがって方位角の分解能が下がってしまう。分解能をあげるためにＡ／Ｄコンバータ１４のビット数を上げれば、Ｄ／Ａコンバータ１６でオフセットを補正する技術の本来の目的と相反することになり、この手法の利点がなくなってしまう。
そこで、本発明の目的は、地磁気方位によらずに、Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心に地磁気信号の中心を設定することが可能であり、かつＡ／Ｄコンバータの入力範囲をできるだけ大きな信号振幅を持つ地磁気信号で利用できるような、地磁気測定装置および地磁気測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の地磁気測定装置によれば、磁気センサと、前記磁気センサの出力を所定の利得で増幅する増幅手段と、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータと、前記増幅手段からの出力と前記Ｄ／Ａコンバータからの出力の差分を算出する減算器と、前記減算器から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記増幅手段によって所定の利得で増幅されたアナログ信号を入力とする前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて、前記減算器の出力が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心に近づくように第１のオフセット値を算出し、前記第１のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力する第１のオフセット算出手段と、前記第１のオフセット値が前記Ｄ／Ａコンバータに入力された時の前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて第２のオフセット値を算出し、前記第１のオフセット値にあわせて前記第２のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力する第２のオフセット算出手段を備え、地磁気を算出することを特徴とする。
【００２４】
また、請求項２記載の地磁気測定装置によれば、前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値をあわせて前記Ｄ／Ａコンバータに出力した後、前記増幅手段の利得の第１の利得より大きい第２の利得で前記増幅手段が増幅したアナログ信号から、前記第１の利得から前記第２の利得の変化に応じて前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値の補正を行い、前記補正した第１のオフセット値と前記補正した第２のオフセット値の和を前記Ｄ／Ａコンバータへ出力し、前記第２の利得で前記増幅手段が増幅したアナログ信号から前記Ｄ／Ａコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出することを特徴とする。
【００２５】
また、請求項３記載の地磁気測定装置によれば、前記第２のオフセット値は、前記増幅手段の利得を変更する前は地磁気信号の中心と前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記Ｄ／Ａコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする。
また、請求項４記載の地磁気測定装置によれば、前記第２のオフセット値の補正は、２回行うことを特徴とする。
また、請求項５記載の地磁気測定装置によれば、前記第１の利得は、地磁気信号の強度が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の１／４を越えないように前記第１の増幅手段のゲインが設定されており、前記第２の利得は、前記第１の利得の約２倍であることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項６記載の地磁気測定装置によれば、磁気センサと、前記磁気センサの出力を所定の利得で増幅する第１の増幅手段と、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータと、前記第１の増幅手段からの出力と前記Ｄ／Ａコンバータからの出力の差分を算出する減算器と、前記減算器から出力されるアナログ信号を所定の利得で増幅する第２の増幅手段と、前記第２の増幅手段からの出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記第１の増幅手段と前記第２の増幅手段によって、前記第１の増幅手段の利得と前記第２の増幅手段の利得の合計利得で増幅されたアナログ信号を入力とする前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて、前記第２の増幅手段の出力が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心に近づくように第１のオフセット値を算出し、前記第１のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力する第１のオフセット算出手段と、前記第１のオフセット値が前記Ｄ／Ａコンバータに入力された時の前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて第２のオフセット値を算出し、前記第１のオフセット値にあわせて前記第２のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力する第２のオフセット算出手段を備え、地磁気を算出することを特徴とする。
【００２７】
また、請求項７記載の地磁気測定装置によれば、前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値をあわせて前記Ｄ／Ａコンバータに出力した後、前記第１の増幅手段の利得と前記第２の増幅手段の利得を合わせた第１の合計利得より大きい第２の合計利得で前記第１の増幅手段と前記第２の増幅手段が増幅したアナログ信号から、前記第１の合計利得から前記第２の合計利得の変化に応じて前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値を補正し、前記補正した第１のオフセット値と前記補正した第２のオフセット値の和を前記Ｄ／Ａコンバータへ出力し、前記第２の合計利得で前記第１の増幅手段と前記第２の増幅手段が増幅したアナログ信号から前記Ｄ／Ａコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出することを特徴とする。
【００２８】
また、請求項８記載の地磁気測定装置によれば、前記第２のオフセット値は、前記第１の増幅手段と前記第２の増幅手段の合計利得を変更する前は、地磁気信号の中心と前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記Ｄ／Ａコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする。
また、請求項９記載の地磁気測定装置によれば、前記第２のオフセット値の補正は、２回行うことを特徴とする。
また、請求項１０記載の地磁気測定装置によれば、前記第１の合計利得は、地磁気信号の強度が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の１／４を越えないように前記第１の増幅手段と前記第２の増幅手段のゲインが設定されており、前記第２の合計利得は、前記第１の合計利得の約２倍であることを特徴とする。
【００２９】
また、請求項１１記載の地磁気測定方法によれば、磁気センサの出力を所定の利得で増幅するステップと、前記増幅された出力とＤ／Ａコンバータからの出力の差分を算出するステップと、前記差分に対応するアナログ信号をＡ／Ｄコンバータにてデジタル信号に変換するステップと、前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて、前記差分に対応するアナログ信号が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心に近づくように第１のオフセット値を算出するステップと、前記算出された第１のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力するステップと、前記第１のオフセット値が前記Ｄ／Ａコンバータに入力された時の前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて第２のオフセット値を算出するステップと、
前記第１のオフセット値にあわせて前記第２のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力するステップとを備えることを特徴とする。
【００３０】
また、請求項１２記載の地磁気測定方法によれば、前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値をあわせて前記Ｄ／Ａコンバータに出力した後、前記所定の第１の利得より大きい第２の利得で増幅されたアナログ信号から、前記第１の利得から前記第２の利得の変化に応じて前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値を補正するステップと、前記補正した第１のオフセット値と前記補正した第２のオフセット値の和を前記Ｄ／Ａコンバータへ出力するステップと、前記第２の利得で増幅されたアナログ信号から前記Ｄ／Ａコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出するステップとを備えることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項１３記載の地磁気測定方法によれば、前記第２のオフセット値は、前記利得を変更する前は地磁気信号の中心と前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記Ｄ／Ａコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする。
また、請求項１４記載の地磁気測定方法によれば、前記第２のオフセット値の補正は、２回行うことを特徴とする。
また、請求項１５記載の地磁気測定方法によれば、前記第１の利得は、地磁気信号の強度が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の１／４を越えないように設定されており、前記第２の利得は、前記第１の利得の約２倍であることを特徴とする。
【００３２】
また、請求項１６記載の地磁気測定方法によれば、磁気センサの出力を第１の利得で増幅するステップと、前記第１の利得で増幅された出力とＤ／Ａコンバータからの出力の差分を算出するステップと、前記差分に対応するアナログ信号を第２の利得で増幅するステップと、前記第２の利得で増幅された出力をＡ／Ｄコンバータにてデジタル信号に変換するステップと、前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて、前記第２の利得で増幅された出力が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心に近づくように第１のオフセット値を算出するステップと、前記算出された第１のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力するステップと、前記第１のオフセット値が前記Ｄ／Ａコンバータに入力された時の前記Ａ／Ｄコンバータからの出力に基づいて第２のオフセット値を算出するステップと、
前記第１のオフセット値にあわせて前記第２のオフセット値を前記Ｄ／Ａコンバータに出力するステップとを備えることを特徴とする。
【００３３】
また、請求項１７記載の地磁気測定方法によれば、前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値をあわせて前記Ｄ／Ａコンバータに出力した後、前記第１の利得と前記第２の利得を合わせた第１の合計利得より大きい第２の合計利得で増幅されたアナログ信号から、前記第１の合計利得から前記第２の合計利得の変化に応じて前記第１のオフセット値と前記第２のオフセット値を補正するステップと、前記補正した第１のオフセット値と前記補正した第２のオフセット値の和を前記Ｄ／Ａコンバータへ出力するステップと、前記第２の合計利得で増幅されたアナログ信号から前記Ｄ／Ａコンバータからの出力を減算した信号に基づいて、地磁気を算出するステップとを備えることを特徴とする。
【００３４】
また、請求項１８記載の地磁気測定方法によれば、前記第２のオフセット値は、前記第１の利得と前記第２の利得の合計利得を変更する前は、地磁気信号の中心と前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の中心との差分に相当する前記Ｄ／Ａコンバータの出力を設定するデジタル値であることを特徴とする。
また、請求項１９記載の地磁気測定方法によれば、前記第２のオフセット値の補正は、２回行うことを特徴とする。
また、請求項２０記載の地磁気測定方法によれば、前記第１の合計利得は、地磁気信号の強度が前記Ａ／Ｄコンバータの入力範囲の１／４を越えないように設定されており、前記第２の合計利得は、前記第１の合計利得の約２倍であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明によれば、オフセット補正を行った際の地磁気方位によらずに地磁気信号を常にＡ／Ｄコンバータの入力範囲の中心に設定することができ、オフセット変動や外乱磁界ノイズによるＡ／Ｄコンバータの出力飽和を起こり難くすることが可能となり、また、増幅器のゲインを増加させることができるため、方位角の測定精度が向上するとともに安定した測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
【実施例１】
【００３７】
以下、本発明の実施形態に係る方位角測定装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である
。なお、図１の方位角測定装置には、第１のオフセット算出手段５ａのほかに第２のオフセット算出手段５ｂが設けられている。
すなわち、図１において、方位角測定装置には、磁気センサ１、増幅器２、減算器３、Ａ／Ｄコンバータ４、第１のオフセット算出手段５ａ、第２のオフセット算出手段５ｂ、Ｄ／Ａコンバータ６、メモリ７および方位角演算手段８が設けられている。また、メモリ７には、第１のオフセット値７ａおよび第２のオフセット値７ｂが格納される。なお、磁気センサ１としては、例えば、ホール素子を用いることができ、ＩｎＳｂやＩｎＡｓ、ＧａＡｓなどの化合物半導体系、あるいは、Ｓｉモノリシックホール素子であることが好ましい。
【００３８】
第１のオフセット算出手段５ａは、減算器３の出力がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に近づくようなＤ／Ａコンバータ６の出力を設定するデジタル値である第１のオフセット値７ａを算出し、Ｄ／Ａコンバータ６またはメモリ７へ出力できるとともに、その後方位角演算手段８による増幅器２のゲイン変更に応じて、メモリ７より第１のオフセット値７ａを読み込み補正し、補正した値をメモリ７へ出力する機能を有する。第２のオフセット算出手段５ｂは、地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心との差分に相当するＤ／Ａコンバータ６の出力を設定するデジタル値である出力設定値を算出することができるとともに、その値を第２のオフセット値７ｂとしてメモリ７へ出力でき、メモリ７に格納されている第１のオフセット値７ａとあわせてＤ／Ａコンバータ６へ出力することができる。そして、その後の方位角演算手段８による増幅器２のゲイン変更に応じて、第２のオフセット値７ｂをメモリ７より読み込み補正し、メモリ７に格納されている第１のオフセット値７ａとあわせてＤ／Ａコンバータ６へ出力することができる。 
【００３９】
また、第１のオフセット値７ａは、ゲイン変更前に減算器３の出力がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に収まるようなＤ／Ａコンバータ６の出力を設定するデジタル値である出力設定値とすることができ、増幅器２のゲイン変更後に第１のオフセット算出手段５ａによって補正され、変更することができる。第２のオフセット値７ｂは、ゲイン変更前に地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心との差分に相当するＤ／Ａコンバータ６の出力を設定するデジタル値である出力設定値とすることができ、増幅器２のゲイン変更後に第２のオフセット算出手段５ｂによって補正され、変更することができる。なお本発明の実施例においては、第２のオフセット値７ｂとはＤ／Ａコンバータ６に入力されるデジタル値として考えているが、Ａ／Ｄコンバータ４に入力される電圧として考え算出する方法もある。
また、方位角演算手段８は増幅器２のゲインを変更することができるとともに、ゲイン変更の前後で方位角を演算することができる。
【００４０】
まず、ゲインを変更する前までの方位角測定について説明する。
磁気センサ１の出力は増幅器２で増幅され、減算器３に出力される。また、減算器３には、Ｄ／Ａコンバータ６からの出力が入力される。そして、減算器３にて、増幅器１２の出力とＤ／Ａコンバータ６からの出力との減算が行われ、その減算結果がＡ／Ｄコンバータ４に入力される。そして、減算器３からの出力がＡ／Ｄコンバータ４にてデジタル信号に変換された後、第１のオフセット算出手段５ａおよび第２のオフセット算出手段５ｂに出力される。
【００４１】
ここで、第１のオフセット算出手段５ａは、Ａ／Ｄコンバータ４からの出力が入力されると、図８と同様の処理により、Ａ／Ｄコンバータ４の出力を評価し、減算器３からの出力がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に位置するように第１のオフセット値７ａを定め、メモリ７に第１のオフセット値７ａとして記憶する。そして、第１のオフセット算出手段５ａによって算出された第１のオフセット値７ａがＤ／Ａコンバータ６の出力設定値としてＤ／Ａコンバータ６へ入力され、Ｄ／Ａコンバータ６にてアナログ信号に変換された後、減算器３へ入力される。
【００４２】
その後に、第２のオフセット算出手段５ｂは、第１のオフセット値７ａがＤ／Ａコンバータ６に入力された時のＡ／Ｄコンバータ４からの出力に基づいて、地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心との差分を算出し、その差分に相当するＤ／Ａコンバータ６の出力設定値を第２のオフセット値７ｂとする。第２のオフセット値７ｂは、メモリ７に記憶されるとともに、第１のオフセット値７ａをメモリ７から読み出し、第１のオフセット値７ａと第２のオフセット値７ｂの和をＤ／Ａコンバータ６よりアナログ信号に変換して出力させることで、地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に一致させる。そして、方位角演算手段８は、Ａ／Ｄコンバータ４の出力値に基づいて、方位角を演算することができる。これにより、オフセット補正を行った際の地磁気方位によらずに地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に設定することができる。このため、オフセット変動や外乱磁界ノイズによるＡ／Ｄコンバータ４の出力飽和を起こり難くすることが可能となり、方位角測定を安定して行うことができる。
【００４３】
図２は、上記のゲイン変更をしない場合の図１の方位角測定装置が第１のオフセット値７ａと第２のオフセット値７ｂを算出し、地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心と一致させる手順を示すフローチャートである。
図２において、第１のオフセット算出手段５ａは、増幅器２の出力からＤ／Ａコンバータ６の出力を減算した減算器３からの出力が、Ａ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に位置するように第１のオフセット値７ａを定め、Ｄ／Ａコンバータ６の出力を設定する（ステップＳ１）。
【００４４】
次に、第２のオフセット算出手段５ｂは、地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心との差分を算出し、その値に相当するＤ／Ａコンバータ６の出力設定値を第２のオフセット値７ｂとする（ステップＳ２）。そして、第１のオフセット値７ａと第２のオフセット値７ｂをＤ／Ａコンバータ６に入力することにより、第１のオフセット値７ａと第２のオフセット値７ｂの和をアナログ信号に変換させて出力し（ステップＳ３）、減算器３に入力させる（ステップＳ４）。そして、減算器３にて、増幅器２の出力とＤ／Ａコンバータ６からの出力との減算を行わせ、その減算結果をＡ／Ｄコンバータ４に出力させる（ステップＳ５）。このようにして地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心が一致し、その後方位角演算手段８はＡ／Ｄコンバータ４の出力に基づいて方位角を演算することができる。
【００４５】
図３は、図１の方位角測定装置において２軸の磁気センサを利用した場合に、地磁気信号方位円Ｅ、Ａ／Ｄコンバータ４の入力範囲及びＤ／Ａコンバータ６の出力の関係を示す図である。
図３において、第１のオフセット値７ａに相当するＤ／Ａコンバータ６の出力ＯＦ１を出力した際の地磁気信号の描く方位円Ｅの中心Ｏ´点は、Ａ／Ｄコンバータ４の入力範囲Ｒ１の中心Ｏ点とは別の場所に位置する。ここで、地磁気信号の強度は、一般に地磁気の全磁力と呼ばれるが、地球上の人間居住地域では２０マイクロテスラから６０マイクロテスラ程度まで分布し、日本の東京付近では、４６マイクロテスラ程度と言われている。従って、最初の増幅器２のゲイン設定としては、６０マイクロテスラがＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の１／４以下に相当するように設定することが好ましい。このようにすれば、第１のオフセット値７ａを算出しＯＦ１を出力した際に、地磁気信号の描く方位円ＥがＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲Ｒ１を超え、オーバーフローするようなことが無くなるからである。
【００４６】
その上で第２のオフセット値７ｂを算出し、その値に相当するＤ／Ａコンバータ６の出力ＯＦ２を、ＯＦ１にあわせてＤ／Ａコンバータ６から出力することで、地磁気信号の描く方位円の中心Ｏ´点をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲Ｒ１の中心O点に設定することが可能となる。こうすることで、Ａ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心をＯ点からＯ´点に移動させることが可能となり、ＯＦ１をＤ／Ａコンバータ６より出力した時のＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲Ｒ１を、ＯＦ１とＯＦ２をあわせてＤ／Ａコンバータ６より出力した時のＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲Ｒ２に変更し、地磁気信号の描く方位円の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心を一致させることができる。このため、磁気センサ１や増幅器２のゲインが変わったとか、環境磁界のオフセットが加わったなどの外部要因があっても、Ａ／Ｄコンバータ４は飽和しにくくなり、雑音や外乱に対する耐性の高い方位角測定装置を構成することができる。
【００４７】
なお、第２のオフセット値７ｂを算出する方法は、地磁気信号の描く２軸の方位円もしくは３軸の球面の中心を求める方法ならば何でもよいが、例えば、方位角測定装置を水平方向に一周回転させ、得られた軌跡のＸ座標およびＹ座標の最大値および最小値から求める方法や、出願人がＷＯ２００４／００３４７６に提示している方位角測定装置を３次元方向に任意に動かした時の地磁気情報から統計的手法により球の中心を求める方法などが好ましい。
【００４８】
以下、図１の方位角測定装置のゲイン変更前までのＤ／Ａコンバータ６の出力設定値の計算手法について説明する。
Ａ／Ｄコンバータ４への入力電圧ＶＡＤＣ（入力範囲の中心電圧は簡単のため０Ｖとする）は磁気センサ１、例えば、ホール素子の出力をＶＨＥ、増幅器２のゲインをＧ１（地磁気信号の全磁力がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の１／４以下になるような設定値）、Ｄ／Ａコンバータ６の出力をＤｉとすると、
ＶＡＤＣ＝ＶＨＥＧ１＋Ｄｉ                                     ・・・（１）
Ｄｉ＝ΔＶＤＡＣ×ｄｉ                                        ・・・（２）
となる。ただし、ｄｉはＤ／Ａコンバータ６の出力設定値（ＬＳＢ）、ΔＶＤＡＣはＤ／Ａコンバータ６の１ＬＳＢに相当する電圧（Ｖ）である。
【００４９】
ここで、Ａ／Ｄコンバータ４の入力範囲の大きさを電圧でＲＡＤＣ（Ｖ）、コードをＬＡＤＣ（ＬＳＢ，Ａ／Ｄコンバータ４のビット数をｎとすると２n−１に相当する）とすると、Ａ／Ｄコンバータ４の出力コードＣＡＤＣ（中心の出力コードは０ＬＳＢ）は、
ＣＡＤＣ＝（ＬＡＤＣ／ＲＡＤＣ）ＶＡＤＣ                          ・・・（３）
ここで、図９に示す方法で減算器３の出力がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に収まるように調整を行い、そのとき得られたＤ／Ａコンバータ６の出力設定値をｄ１とする。このｄ１が第１のオフセット値７ａとなる。また、通常図８の方法でｄ１を求めると、Ａ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心と、地磁気信号の描く方位円の中心の間にはオフセットが存在するため、そのオフセットをＷＯ２００４／００３４７６に示されている方法で求める。
【００５０】
このとき、求められたオフセットに相当するＡ／Ｄコンバータ４の出力コードをＯＤＯＥ１とすると、測定される地磁気信号Ｈ（LSB）は、次式で表すことができる。
Ｈ＝（ＣＡＤＣ−ＯＤＯＥ１）                                      ・・・（４）
（４）式は、（１）式、（２）式及び（３）式より、
Ｈ＝｛（ＬＡＤＣ／ＲＡＤＣ）（ＶＨＥＧ１＋ΔＶＤＡＣ×ｄ１）−ＯＤＯＥ１｝
・・・（５）
となる。ここで、
ｄ２＝ｄ１−ＲＡＤＣ／（ＬＡＤＣΔＶＤＡＣ）ＯＤＯＥ１            ・・・（６）
とおくと、（５）式は、
Ｈ＝（ＬＡＤＣ／ＲＡＤＣ）（ＶＨＥＧ１＋ΔＶＤＡＣ×ｄ２）
・・・（７）
となり、ｄ２により設定したＤ２をＤ／Ａコンバータ６より出力することで、Ａ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に地磁気信号の中心を割り当てることができる。すなわち（６）式の右辺の負の符号も含めた第２項が第２のオフセット値７ｂとなる。
【００５１】
実際には、Ｄ／Ａコンバータ６の出力設定値は整数であるので、（６）式で計算される値を設定することはできない。（６）式の丸め誤差も補正する設定式は以下で与えられる。
ｄ’２＝ｒｉｎｔ｛ｄ１−ＲＡＤＣ／（ＬＡＤＣΔＶＤＡＣ）ＯＤＯＥ１｝
・・・（８）
ここで、ｒｉｎｔ（）は四捨五入演算子とする。このとき、
Ｄ’２＝ΔＶＤＡＣ×ｄ’２                                        ・・・（９）
である。
【００５２】
上記演算を、２軸または３軸の磁気センサのおのおのに対して行うことにより、磁気センサ１が感知する２次元平面上もしくは３次元空間上の磁気ベクトルに重畳するオフセット分をＤ／Ａコンバータ６の出力によって減算することができ、地磁気ベクトルが成す方位円または方位球の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心付近に割り当てることができる。
【００５３】
なお、図３は説明の便宜上、２次元平面の信号に対して記述しているものであるが、３軸磁気センサの場合についても３次元空間上で同様に適用することができる。
さらに、上記のように第２のオフセット値７ｂを算出し、Ｄ／Ａコンバータ６にオフセット値を再設定したことで、方位角測定装置の角度分解能を向上させることが可能となる。
【００５４】
すなわち、上記のように地磁気信号の強度がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の１／４以下に相当するように増幅器２のゲインを設定した場合、地磁気信号の中心がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心になるように設定されると、地磁気信号は、最大でもＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心から、大小の方向に入力範囲の１／４の範囲を占めるだけである。従って、地磁気信号の中心がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心になった後は増幅器２のゲインを増やすことが可能となる。増幅器２のゲインの増加幅は想定される使用形態によって任意であり、磁気センサ１や増幅器２のゲイン変動や、環境磁界のオフセットなどの外部要因を考慮して決めることが可能である。実際に外部要因を考慮した場合、ゲインの増加分は２倍かそれ以下にすることが望ましい。これにより、Ａ／Ｄコンバータ４の量子化サイズで定まる方位角測定装置の分解能を向上させることができる。
【００５５】
ただし、変更されたゲインに応じて増幅器２の出力に含まれている地磁気信号以外のオフセット成分も変動するため、第１のオフセット算出手段５ａ及び第２のオフセット算出手段５ｂは、上記のように算出した第１のオフセット値７ａ及び第２のオフセット値７ｂを以下のように補正し、その変動分を減算器３で相殺する必要がある。
【００５６】
すなわち、方位角演算手段８により増幅器２のゲインを変更した後、ゲイン変更に応じて第１のオフセット算出手段５ａ及び第２のオフセット算出手段５ｂは、メモリ７に格納されている第１のオフセット値７ａ及び第２のオフセット値７ｂを読み出し補正し、メモリ７に再び格納するとともに、その補正した第１のオフセット値７ａ及び第２のオフセット値７ｂの和をＤ／Ａコンバータ６よりアナログ信号に変換して減算器３へ出力する。そして、そのときのＡ／Ｄコンバータ４の出力から地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心の差に相当するＤ／Ａコンバータ６の出力設定値を、第２のオフセット算出手段５ｂにより新たに算出し、その算出した値をメモリ７に格納されている第２のオフセット値７ａに加えて、再度補正した第２のオフセット値７ａとしてメモリ７に設定し、第１のオフセット値７ａとあわせてＤ／Ａコンバータ６より出力することで、地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に一致させることができる。
【００５７】
次に。以上のような図１の方位角測定装置の増幅器２のゲインを変更する場合のＤ／Ａコンバータ６の出力設定値の計算手法について述べる。ただし、以下では丸め誤差を補正した数式は省略する。
増幅器２のゲインを変動する場合、増幅器２のゲイン変動などにより変動するオフセットを考慮する必要があり、それを残留オフセットＯｒとすると、第１のオフセット値７ａを算出した後、（１）式は次のように変更される。
ＶＡＤＣ＝（ＶＨＥＧ１＋Ｄ１＋Ｏｒ）                            ・・・（１０）
【００５８】
そして、第２のオフセット値７ｂを求めると、Ｄ／Ａコンバータ６の出力設定値ｄ3は上記の（６）式と同様で、次のようになる。
ｄ3＝ｄ１−ＲＡＤＣ／（ＬＡＤＣΔＶＤＡＣ）ＯＤＯＥ１          ・・・（１１）
ここで、増幅器２のゲインをＧ２に変更する。ゲイン変更の前後で地磁気信号のＨ１とＨ２には次のような関係がある。
Ｈ１＝（Ｇ１／Ｇ２）Ｈ２                                        ・・・（１２）
仮にＯｒが既知の量である場合、
ｄ４＝（Ｇ２／Ｇ１）ｄ３＋（Ｇ２／Ｇ１−１）／ΔＶＤＡＣＯｒ 
・・・（１３）
のようにＤ／Ａコンバータ６の出力設定値を変更することで、地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の中心へと持ってくることができる。しかし実際には、Ｏｒのゲイン変更に伴う増減が未知であり、その変化分は（１３）式の第１項をＤ／Ａコンバータ６の出力設定値とした上で算出し、相殺する。
【００５９】
すなわち、ゲイン変更後にＤ／Ａコンバータ６の出力設定値として、
（Ｇ２／Ｇ１）ｄ３＝（Ｇ２／Ｇ１）ｄ１−（Ｇ２／Ｇ１）ＲＡＤＣ／（ＬＡＤＣΔＶＤＡＣ）ＯＤＯＥ１ 
・・・（１４）
の右辺第１項を補正された第１のオフセット値７ａとし、第２項を補正されたオフセット値７ｂとして設定する。この設定値のもとでは、地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心との間にはオフセットが存在し、そのオフセットに相当するＡ／Ｄコンバータ４の出力をＯＤＯＥ２とすると、地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心へ設定するためのＤ／Ａコンバータ６の出力設定値ｄ４は、
ｄ４＝（Ｇ２／Ｇ１）ｄ３−ＲＡＤＣ／（ＬＡＤＣΔＶＤＡＣ）ＯＤＯＥ２ 
・・・（１５）
とすればよい。すなわち、
ｄ４＝（Ｇ２／Ｇ１）ｄ１−（Ｇ２／Ｇ１）ＲＡＤＣ／（ＬＡＤＣΔＶＤＡＣ）ＯＤＯＥ１−ＲＡＤＣ／（ＬＡＤＣΔＶＤＡＣ）ＯＤＯＥ２ 
・・・（１６）
ここで、右辺の第１項がゲイン変更後に補正される第１のオフセット値７ａに相当し、負の符号も含めた第２項と第３項の和が最終的に補正される第２のオフセット値７ｂに相当する。Ｄ／Ａコンバータ６の出力は、
Ｄ４＝ΔＶＤＡＣ×ｄ４                                          ・・・（１７）
となる。
【００６０】
図４は、図１の方位角測定装置が、地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に一致させた後に、増幅器２のゲインを変更した場合の方位角を演算する手順を示すフローチャートである。
すなわち、図２の手順にて地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心を一致させた後（ステップＳ１０１）、地磁気信号の大きさに応じて方位角演算手段８は増幅器２のゲインを増加させる（ステップ１０２）。そして、ゲイン変更に応じて第１のオフセット算出手段５ａ及び第２のオフセット算出手段５ｂは、第1のオフセット値７ａ及び第２のオフセット値７ｂをメモリ７より読み出し補正し、メモリ７に再び格納する（ステップＳ１０３）。そして、第２のオフセット算出手段５ｂはその補正した第１のオフセット値７ａと第２のオフセット値７ｂの和をＤ／Ａコンバータ６へ出力し、Ｄ／Ａコンバータ６よりアナログ信号に変換して出力する（ステップＳ１０４）。そして、減算器３にて、増幅器２の出力とＤ／Ａコンバータ６からの出力との減算を行い、その減算結果をＡ／Ｄコンバータ４に出力する（ステップＳ１０５）。そして、Ａ／Ｄコンバータ４からの出力から、第２のオフセット算出手段５ｂは地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心との差分に相当するＤ／Ａコンバータ６の出力設定値を算出し（ステップＳ１０６）、算出された出力設定値をメモリ７に格納されている第２のオフセット値７ｂに加えて、あらたに補正した第２のオフセット値７ｂとしてメモリ７に格納する（ステップ１０７）。そして、メモリ７から読み出した第１オフセット値７ａとあわせてＤ／Ａコンバータ６へ出力し、Ｄ／Ａコンバータ６より第１のオフセット値７ａ及び第２のオフセット値７ｂの和をアナログ信号に変換して出力する（ステップ１０８）。そして、減算器３にて増幅器２の出力とＤ／Ａコンバータ６からの出力との減算を行い、その減算結果をＡ／Ｄコンバータ４に出力する（ステップ１０９）。このようにしてゲイン変更後の地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心が一致したので、Ａ／Ｄコンバータ４の出力から方位角演算手段８は変更されたゲインのもとで安定して方位角を演算することができる（ステップ１１０）。また以上の手順において、最終的にＤ／Ａコンバータ６の出力設定値を決定するまでに第２のオフセット値７ａの補正を２回行うことになる。
【００６１】
以上のようにすることで、増幅器２のゲインを増加させた場合にも地磁気方位によらずに地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に設定することができ、オフセット変動や外乱磁界ノイズによるＡ／Ｄコンバータ４の出力飽和を起こり難くすることが可能である。また、増幅器２のゲインを大きくしたので、地磁気信号に割り当てられるＡ／Ｄコンバータ４の出力コード数が増加し、角度精度を向上させることが可能となる。すなわち、方位角の測定精度を向上させるとともに安定した測定を行うことができる。
【実施例２】
【００６２】
以下に本発明における第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図５は本発明における第２の実施形態に係る方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である。
第１の実施形態における図１の構成では、増幅手段は増幅器２が１つあった場合であるが、増幅器２では十分地磁気信号を増幅できない場合、図５のように減算器３の後に第２の増幅手段として積分器９を利用するような構成が考えられる。
すなわち、図５において積分器９は、減算器３の出力を積分によって増幅し、Ａ／Ｄコンバータ４へ出力する。また積分器９は方位角演算手段８によって、ゲイン（積分時間など）を変更することができる。
【００６３】
また、第１のオフセット算出手段５ａは、積分器９の出力がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に近づくようなＤ／Ａコンバータ６の出力を設定するデジタル値である第１のオフセット値７ａを算出し、Ｄ／Ａコンバータ６またはメモリ７へ出力できるとともに、その後に方位角演算手段８による増幅器２または積分器９のゲイン変更に応じて、メモリ７より第１のオフセット値７ａを読み込み補正し、補正した値をメモリ７へ出力する機能を有する。第２のオフセット算出手段５ｂは、地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心との差分に相当するＤ／Ａコンバータ６の出力を設定するデジタル値である出力設定値を算出することができるとともに、その値を第２のオフセット値７ｂとしてメモリ７へ出力でき、メモリ７に格納されている第１のオフセット値７ａとあわせてＤ／Ａコンバータ６へ出力することができる。そして、その後に方位角演算手段８による増幅器２または積分器９のゲイン変更に応じて、第２のオフセット値７ｂをメモリ７より読み込み補正し、メモリ７に格納されている第１のオフセット値７ａとあわせてＤ／Ａコンバータ６へ出力することができる。 
【００６４】
また、第１のオフセット値７ａは、ゲイン変更前に積分器９の出力がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に収まるようなＤ／Ａコンバータ６の出力を設定するデジタル値である出力設定値とすることができ、増幅器２または積分器９のゲイン変更後に第１のオフセット算出手段５ａによって補正され、変更することができる。第２のオフセット値７ｂは、ゲイン変更前に地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心との差分に相当するＤ／Ａコンバータ６の出力を設定するデジタル値である出力設定値とすることができ、増幅器２または積分器９のゲイン変更後に第２のオフセット算出手段５ｂによって補正され、変更することができる。
【００６５】
また、方位角演算手段８は増幅器２または積分器９のゲインを変更することができるとともに、ゲイン変更の前後で方位角を演算することができる。
図５の上記で説明したもの以外の構成は図１と同様である。
図５の場合にも第１実施例と同様に、次のようにして地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心へと移動させることができる。
【００６６】
積分器９のゲインをＩiとすると、Ａ／Ｄコンバータ４の入力電圧は以下のようにあらわされる。
ＶＡＤＣ＝（ＶＨＥＧi＋Ｄi＋Ｏｒ）×Ｉi                        ・・・（１８）
なお、ここで用いられている記号等は上記第１実施例と同様である。Ｏｒは残留オフセットを表し、増幅器２のゲイン変動などにより変動するオフセットである。これは、積分器で増幅されるために無視できない量となる。また、Ｇi、Iiにおける添え字はゲイン変更前後を１と２で表すためのものである。
【００６７】
第１のオフセット値７ａ及び第２のオフセット値７ｂを求めた後、Ｄ／Ａコンバータ６より、以下の設定値ｄ５を出力することにより、Ａ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心に地磁気信号の中心を移動させることができる。ここで、初期の増幅器２のゲインをＧ１、積分器９のゲインをＩ１とすると（Ｇ１及びＩ１は第１実施例と同様に地磁気信号の全磁力がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の１／４になるような設定値となっている）、
Ｄ５＝ΔＶＤＡＣ×ｄ５＝ΔＶＤＡＣ×｛ｄ１−ＲＡＤＣ／（ＬＡＤＣΔＶＤＡＣＩ１）ＯＤＯＥ１｝
・・・（１９）
である。
【００６８】
ここで、地磁気信号の大きさに応じて方位角演算手段８によりゲインを変更することで地磁気信号を大きくし、Ａ／Ｄコンバータ４の入力範囲内を十分に活用することができる。ゲインの変更は、増幅器２または積分器９のみを変更する場合と両者を変更する場合がある。
まず、増幅器２のゲインを変更する場合について述べる。増幅器２のゲインＧ１をＧ２に変更する場合、第１実施例と同様な算出方法により、ゲイン変更後に第１のオフセット値７ａ及び第２のオフセット値７ｂを補正した後に存在する地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心との差分に相当するＡ／Ｄコンバータ４の出力コードをＯＤＯＥ３とすると、Ｄ／Ａコンバータ６の出力設定値ｄ６は、
ｄ６＝（Ｇ２／Ｇ１）ｄ５−ＲＡＤＣ／（ＬＡＤＣΔＶＤＡＣＩ１）ＯＤＯＥ３ 
・・・（２０）
Ｄ６＝ΔＶＤＡＣ×ｄ６                                          ・・・（２１）
と設定すればよい。
【００６９】
以上のようにすることで、増幅器２のゲインを変更した場合に地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心へと一致させることができる。
第２の増幅手段である積分器９のゲインのみを変更する場合について述べる。この場合には、積分器９の変更前後のゲインをＩ１、Ｉ２とすると、
Ｈ１＝（Ｉ１／Ｉ２）Ｈ２                                        ・・・（２２）
であるが、ゲイン変更に伴ったＯｒの未知の変動がなく、Ａ／Ｄコンバータ４に入力される地磁気信号に対するオフセットの変化は積分器９のゲインに比例して変化するだけであるので、新たにＯＤＯＥ３の算出はしなくても良く、設定するＤ／Ａコンバータ６の出力設定値ｄ７は変更されることはなく、ｄ５そのものである。
ｄ７＝ｄ１−ＲＡＤＣ／（ＬＡＤＣΔＶＤＡＣＩ１）ＯＤＯＥ１      ・・・（２３）
Ｄ７＝ΔＶＤＡＣ×ｄ５                                          ・・・（２４）
とすればよい。
【００７０】
増幅器２及び積分器９のゲインの両方を変更することも同様に行えるが、その場合は上記のように増幅器２のゲイン変更にともないＯｒが変動する可能性があるので、ゲインを変更した場合の地磁気信号がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲をオーバーフローしないようにするため、先に増幅器２のゲインを変更し、ＯＤＯＥ３を算出して求めた後、積分器９のゲインを変更することが望ましい。その場合のＤ／Ａコンバータ６の出力設定値ｄ８は、ｄ６に等しく、
ｄ８＝（Ｇ２／Ｇ１）ｄ５−ＲＡＤＣ／（ＬＡＤＣΔＶＤＡＣＩ１）ＯＤＯＥ３ 
・・・（２５）
Ｄ８＝ΔＶＤＡＣ×ｄ５                                          ・・・（２６）
とすればよい。
【００７１】
以上のようにＤ／Ａコンバータ６の出力設定値を変更し、アナログ信号に変換して減算器３へ出力することで、ゲイン変更に対応して地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心へ設定できる。
Ｇ１及びＩ１は、地磁気信号の全磁力がＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の１／４になるような設定値となっているので、実際に外部要因を考慮した場合にＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲をすべて利用する場合には、ゲインの増加分は２倍かそれ以下にすることが望ましい。
【００７２】
図６は以上の増幅器２または積分器９のゲイン変更を伴う場合の方位角演算の手順を示すフローチャートである。すなわち、第１のオフセット値７ａを算出し（ステップＳ２０１）、第１のオフセット値７ａをＤ／Ａコンバータ６からアナログ信号に変換して出力させた場合のＡ／Ｄコンバータ４からの出力から第２のオフセット値７ｂを算出し（ステップＳ２０２）、第１のオフセット値７ａと第２のオフセット値７ｂの和をＤ／Ａコンバータ６よりアナログ信号に変換して出力することで（ステップＳ２０３）、地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心へと設定する。
【００７３】
そこで、外部要因などを考慮して、方位角演算手段８により増幅器２または積分器９のゲインを変更する（ステップＳ２０４）。増幅器２のゲインを変更した場合、そのゲイン変更に応じて第１のオフセット算出手段５ａ及び第２のオフセット算出手段５ｂは、第1のオフセット値７ａ及び第２のオフセット値７ｂをメモリ７より読み出し補正し、メモリ７に再び格納する（ステップＳ２０５）。そして、第２のオフセット算出手段５ｂはその補正した第１のオフセット値７ａと第２のオフセット値７ｂの和をＤ／Ａコンバータ６へ出力し、Ｄ／Ａコンバータ６よりアナログ信号に変換して出力する（ステップＳ２０６）。
【００７４】
そして、減算器３にて、増幅器２の出力とＤ／Ａコンバータ６からの出力との減算を行い、その減算結果を積分器９で増幅してＡ／Ｄコンバータ４に出力する（ステップＳ２０７）。そして、Ａ／Ｄコンバータ４からの出力から、第２のオフセット算出手段５ｂは地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心との差分に相当するＤ／Ａコンバータ６の出力設定値を算出し（ステップＳ２０８）、算出された出力設定値をメモリ７に格納されている第２のオフセット値７ｂに加えて、あらたに補正した第２のオフセット値７ｂとしてメモリ７に格納する（ステップ２０９）。そして、メモリ７から読み出した第１オフセット値７ａとあわせてＤ／Ａコンバータ６へ出力し、Ｄ／Ａコンバータ６より第１のオフセット値７ａ及び第２のオフセット値７ｂの和をアナログ信号に変換して出力する（ステップ２１０）。そして、減算器３にて増幅器２の出力とＤ／Ａコンバータ６からの出力との減算を行い、その減算結果を積分器９で増幅し、Ａ／Ｄコンバータ４に出力する（ステップ２１１）。このようにしてゲイン変更後の地磁気信号の中心とＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心が一致したので、Ａ／Ｄコンバータ４の出力から方位角演算手段８は変更されたゲインのもとで安定して方位角を演算することができる（ステップ２１２）。
【００７５】
一方、積分器９のゲインを変更した場合、ゲイン変更に応じた減算器３に入力されるオフセットの変動がないので、第１のオフセット値７ａ及び第２のオフセット値７ｂを補正せずに、ゲインを増加させた場合に測定される地磁気信号の描く方位円の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心へと設定することができる。その後、ゲイン変更されて測定された地磁気信号に基づいて方位角を演算する（ステップＳ２１２）。
以上の手順において、増幅器２のゲインを変更する場合は、Ｄ／Ａコンバータ６の出力設定値を決定するまでに第２のオフセット値７ａの補正を２回行うことになる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】ゲイン変更をしない場合の図１の方位角測定装置が第２のオフセット値７ａと第２のオフセット値７ｂを算出し、地磁気信号の中心をＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲の中心と一致させる手順を示すフローチャートである
【図３】地磁気信号方位円、図１のＡ／Ｄコンバータ４の入力範囲及びＤ／Ａコンバータ６の出力の関係を示す図である。
【図４】図１の増幅器２のゲイン変更後の方位角演算手順を示すフローチャートである
【図５】本発明の第２実施形態に係る増幅器及び積分器を有する方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図６】図５の増幅器２または積分器９のゲイン変更を伴う場合の方位角演算の手順を示すフローチャートである。
【図７】従来の方位角測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図８】図７のオフセット算出手段１５の動作を示すフローチャートである。
【図９】従来のオフセット算出法によるＤ／Ａコンバータ出力とＡ／Ｄコンバータ入力範囲の中心の変化の様子を説明する図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  磁気センサ
２  増幅器
３  減算器
４  Ａ／Ｄコンバータ
５ａ  第１のオフセット算出手段
５ｂ  第２のオフセット算出手段
６  Ｄ／Ａコンバータ
７  メモリ
７ａ  第１のオフセット値
７ｂ  第２のオフセット値
８  方位角演算手段
９  積分器
ＯＦ１  第１のオフセット値をＤ／Ａコンバータより出力したもの
ＯＦ２  第２のオフセット値をＤ／Ａコンバータより出力したもの
Ｒ１、Ｒ２  Ａ／Ｄコンバータの入力範囲
【図１】
2005300531.tif 000003
【図２】
2005300531.tif 000004
【図３】
2005300531.tif 000005
【図４】
2005300531.tif 000006
【図５】
2005300531.tif 000007
【図６】
2005300531.tif 000008
【図７】
2005300531.tif 000009
【図８】
2005300531.tif 000010
【図９】
2005300531.tif 000011